Как обозначается давление. Давление как физическая величина. Давление в жидкостях

Когда какое-либо тело стоит на опоре, оно своим весом действует на эту опору. А имеет ли значение, как расположить это тело на опоре? Будет ли оно лежать на большей или на меньшей своей грани? Именно это нам и предстоит изучить сегодня на уроке (Рис. 1).

Рис. 1. Одна и та же сила (вес тела) может быть распределена по разной площади

Еще один пример. Давайте попробуем отрезать кусочек хлеба двумя разными ножами. Почему при одной же силе, которую мы прикладываем к каждому ножу, получается разный результат? Один нож режет хлеб плохо, он больше ломает его, а другой - идеально (Рис. 2).

Рис. 2. Разные ножи по-разному режут хлеб

Все дело в том, насколько хорошо заточена режущая кромка лезвия этих ножей. Чем тоньше режущая кромка, тем нож режет лучше.

Что значит лучше? Это значит, что в обоих случаях мы оказывали одну и ту же силу, но результат действия этой силы был разным. Все дело в том, что площадь, по которой распределена эта сила, была разной.

Каждый из вас может привести огромное количество примеров из собственного жизненного опыта. Это ситуация, когда мы стоим на рыхлом снегу на лыжах или просто на ногах. В одном случае мы не будем проваливаться, в другом - глубоко погрязнем в снегу. Острая игла будет прокалывать ткань лучше, чем игла с затупленным концом (Рис. 3).

Рис. 3. Острая и затупленная иглы по-разному прокалывают ткань

Все это свидетельствует о том, что изменение площади, по которой распределена одна и та же сила, приводит к тому, что результат действия этой силы оказывается различным.

В нашем обсуждении постоянно участвуют такие физические величины:

· сила, действующая перпендикулярно некоторой поверхности (стола, батона хлеба, снега и т. д.);

· площадь, по которой эта сила распределена (площадь грани бруска режущей кромки ножа, лыж).

Чем больше величина силы (обозначим ее символом F ) и чем меньше площадь поверхности, по которой она распределена (обозначим ее символом S ), тем больше результат действия этой силы. Следовательно, результат действия силы на некоторую поверхность зависит не от самих этих величин, а от их отношения . Это отношение называется давлением и обозначается латинской буквой р (от слова pressure - давление).

Рис. 4. Эта формула представляет собой определение новой физической величины - давления

Давлением называется физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно некоторой поверхности, к площади этой поверхности (Рис. 4).

Сила, действующая перпендикулярно некоторой поверхности, называется силой давления.

Роль силы давления может выполнять вес тела или любая другая сила упругости.

В системе СИ сила измеряется в ньютонах, площадь - в квадратных метрах. Таким образом, давление измеряется в ньютонах на квадратный метр. Эта единица давления имеет особое название - паскаль (Рис. 6), в честь французского ученого Блеза Паскаля (Рис. 5).

Рис. 5. Блез Паскаль (1623-1662)

Рис. 6. Давление в системе СИ измеряется в паскалях

Один паскаль (Па) - это давление, создаваемое силой давления в 1 ньютон, равномерно распределенной по поверхности площадью один квадратный метр.

Один паскаль - небольшое давление. Примерно такое давление создает лежащий на столе листок из школьной тетради. Поэтому очень часто используют кратные единицы давления:

гектопаскаль (гПа) 1 гПа = 100 Па = 10 2 Па;

килопаскаль (кПа) 1 кПа = 1000 Па = 10 3 Па;

мегапаскаль (МПа) 1 МПа = 1000000 Па = 10 6 Па.

Теперь мы можем вернуться к вопросу, который обсуждался в самом начале этого урока: зависит ли действие тела на поверхность от того, какой гранью мы положили его на ту поверхность.

Рис. 7а. Сила распределена по большей площади

Рис. 7б. Та же сила распределена по меньшей площади

В первом случае сила давления бруска (его вес) распределена по большей площади, а во втором - по меньшей. Поскольку в формуле для вычисления давления площадь стоит в знаменателе дроби, мы получаем, что в первом случае (рис. 7а) брусок оказывает на опору меньшее давление, а во втором (рис. 7б) - большее.

Итак, для того чтобы увеличить давление, нужно уменьшить площадь, по которой распределена сила давления. Поэтому режущие кромки инструментов необходимо затачивать (Рис. 8).

Рис. 8. Режущие кромки ножей, пил и других инструментов затачивают для уменьшения площади, по которой распределена приложенная к ним сила

В тех случаях, когда давление необходимо не увеличивать, а уменьшать, этого можно достигнуть путем увеличения площади поверхности, к которой приложена сила. Например, для уменьшения давления шины грузовых автомобилей делают шире, чем шины легковых автомобилей. Для того чтобы тяжелый трактор или танк не проваливался в рыхлый грунт, на них устанавливают не колеса, а широкие и длинные гусеницы (Рис. 9).

Рис. 9. Для уменьшения давления на грунт на тяжелые танки и трактора устанавливают не колеса, а гусеницы

Список литературы

1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().

Домашнее задание

1. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов №440-449.

Почему стоящий на лыжах человек не проваливается в рыхлый снег? Почему автомобиль с широкими шинами обладает бóльшей проходимостью, чем автомобиль с обычными шинами? Зачем трактору гусеницы? Ответ на эти вопросы мы узнаем, познакомившись с физической величиной, которая называется давлением.

Давление твёрдых тел

Когда сила приложена не к одной точке тела, а к множеству точек, то она действует на поверхность тела. В этом случае говорят о давлении, которое создаёт эта сила на поверхности твёрдого тела.

В физике давлением называют физическую величину, численно равную отношению силы, действующей на поверхность перпендикулярно к ней, к площади этой поверхности.

p = F/S ,

где р - давление; F - сила, действующая на поверхность; S - площадь поверхности.

Итак, давление возникает, когда на поверхность, перпендикулярно к ней, действует сила. Величина давления зависит от величины этой силы, и прямо пропорциональна ей. Чем больше сила, тем большее давление она создаёт на единице площади. Слон тяжелее тигра, поэтому оказывает на поверхность бóльшее давление. Автомобиль давит на дорогу с бóльшей силой, чем пешеход.

Давление твёрдого тела обратно пропорционально площади поверхности, на которую действует сила.

Всем известно, что идти по глубокому снегу трудно из-за того, что ноги постоянно проваливаются. Но на лыжах это сделать довольно просто. Всё дело в том, что в том и в другом случае человек действует на снег с одной и той же силой - силой тяжести. Но эта сила распределяется по поверхностям с разной площадью. Так как площадь поверхности лыж больше площади подошв ботинок, то вес человека в данном случае распределяется на бóльшую площадь. А сила, действующая на единицу площади, оказывается меньшей в несколько раз. Поэтому стоящий на лыжах человек меньшей силой давит на снег и не проваливается в него.

Изменяя площадь поверхности, можно увеличить или уменьшить величину давления.

Собираясь в поход, мы выбираем рюкзак с широкими лямками, чтобы уменьшить давление на плечо.

Чтобы уменьшить давление здания на грунт, увеличивают площадь фундамента.

Шины грузовых автомобилей делают более широкими, чем шины легковых машин, чтобы они оказывали меньшее давление на грунт. По этой же причине трактор или танк делают на гусеничном ходу, а не на колёсном.

Ножи, лезвия, ножницы, иголки остро оттачивают, чтобы они имели как можно меньшую площадь режущей или колющей части. И тогда даже с помощью небольшой приложенной силы создаётся большое давление.

По этой же причине природа снабдила животных острыми зубами, клыками, когтями.

Давление - скалярная величина. В твёрдых телах оно передаётся в направлении действия силы.

Единица измерения силы - ньютон. Единица измерения площади - м 2 . Следовательно, единица измерения давление - н/м 2 . Эта величина в международной системе единиц СИ называется паскаль (Па или Ра). Получила своё название в честь французского физика Блеза Паскаля. Давление в 1 паскаль вызывает сила в 1 ньютон, действующая на поверхность размером 1 м 2 .

1 Па = 1н/м2 .

В других системах используются такие единицы измерения, как бар, атмосфера, мм рт. ст. (миллиметры ртутного столба) и др.

Давление в жидкостях

Если в твёрдом теле давление передаётся в направлении действия силы, то в жидкостях и газах, согласно закону Паскаля, «любое давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям без изменений ».

Заполним жидкостью шар с крошечными отверстиями, соединённый с узкой трубкой в виде цилиндра. Заполним шар жидкостью, вставим в трубку поршень и начнём его двигать. Поршень давит на поверхность жидкости. Это давление передаётся в каждую точку жидкости. Жидкость начинает выливаться из отверстий в шаре.

Заполнив шар дымом, мы увидим такой же результат. Это означает, что и в газах давление также передаётся по всем направлениям.

На жидкость, как и на любое тело на поверхности Земли, действует сила тяжести. Каждый слой жидкости, находящейся в ёмкости, свои весом создаёт давление.

Это подтверждает следующий опыт.

Если в стеклянный сосуд, вместо дна у которого резиновая плёнка, налить воду, то плёнка будет прогибаться под тяжестью воды. И чем больше будет воды, тем больше прогнётся плёнка. Если же мы будем постепенно погружать этот сосуд с водой в другую ёмкость, также наполненную водой, то по мере опускания плёнка будет распрямляться. И когда уровни воды в сосуде и ёмкости сравняются, плёнка распрямится совсем.

На одном уровне давление в жидкости одинаково. Но с увеличением глубины оно возрастает, так как молекулы верхних слоёв оказывают давление на молекулы нижних слоёв. А те, в свою очередь, давят на молекулы слоёв, расположенные ещё ниже. Поэтому в самой нижней точке ёмкости давление будет самым высоким.

Давление на глубине определяется по формуле:

p = ρ·g·h ,

где p - давление (Па);

ρ - плотность жидкости (кг/м 3);

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с);

h - высота столба жидкости (м).

Из формулы видно, что давление растёт с ростом глубины. Чем ниже в океане опускается подводный аппарат, тем бóльшее давление он будет испытывать.

Атмосферное давление

Эванджелиста Торричелли

Кто знает, если бы в 1638 г. герцог Тосканский не решил украсить сады Флоренции красивыми фонтанами, атмосферное давление было бы открыто не в XVII веке, а гораздо позже. Можно сказать, что это открытие было сделано случайно.

В те времена считалось, что вода будет подниматься за поршнем насоса, потому что, как утверждал Аристотель, «природа не терпит пустоты». Однако мероприятие не увенчалось успехом. Вода в фонтанах действительно поднималась, заполняя образовавшуюся «пустоту», однако на высоте 10,3 м она останавливалась.

За помощью обратились к Галилео Галилею. Так как логического объяснения он найти не смог, то поручил своим ученикам - Эванджелиста Торричелли и Винценцо Вивиани провести эксперименты.

Пытаясь найти причину неудачи, ученики Галилея выяснили, что разные жидкости поднимаются за насосом на разную высоту. Чем плотнее жидкость, тем на меньшую высоту она может подняться. Так как плотность ртути в 13 раз больше плотности воды, то и подняться она сможет на высоту в 13 раз меньшую. Поэтому в своём опыте они использовали ртуть.

В 1644 г. опыт был проведен. Стеклянную трубку заполнили ртутью. Затем её опрокинули в емкость, также наполненную ртутью. Спустя некоторое время столбик ртути в трубке поднялся. Но всю трубку он не заполнил. Над столбиком ртути оставалось пустое пространство. Позднее оно было названо «торричеллевой пустотой». Но и в ёмкость ртуть из трубки не выливалась. Торричелли объяснил это тем, что на ртуть давит атмосферный воздух и удерживает её в трубке. А высота столбика ртути в трубке показывает величину этого давления. Так было впервые измерено атмосферное давление.

Атмосфера Земли - это её воздушная оболочка, удерживаемая возле неё гравитационным притяжением. Молекулы газов, составляющих эту оболочку, непрерывно и хаотично движутся. Под действием силы тяжести верхние слои атмосферы давят на нижние слои, сжимая их. Сильнее всего сжат самый нижний слой, находящийся у поверхности Земли. Поэтому давление в нём самое большое. Согласно закону Паскаля, это давление он передаёт по всем направлениям. Его испытывает на себе всё, что находится на поверхности Земли. Это давление называют атмосферным давлением .

Так как атмосферное давление создаётся вышележащими слоями воздуха, то с увеличением высоты оно уменьшается. Известно, что высоко в горах оно меньше, чем у подножия гор. А глубоко под землёй оно гораздо выше, чем на поверхности.

Нормальным атмосферным давление считается давление, равное давлению столбика ртути высотой 760 мм при температуре 0 о С.

Измерение атмосферного давления

Так как атмосферный воздух имеет различную плотность на разной высоте, то величину атмосферного давления нельзя определить по формуле p = ρ · g · h . Поэтому его определяют с помощью специальных приборов, называемых барометрами .

Различают жидкостные барометры и анероиды (безжидкостные). Работа жидкостных барометров основана на изменении в столбике уровня жидкости под давлением атмосферы.

Анероид представляет собой герметичный контейнер из гофрированного металла, внутри которого создано разрежение. Контейнер сжимается, когда атмосферное давление повышается, и распрямляется при его понижении. Все эти изменения передаются на стрелку с помощью пружинящей металлической пластины. Конец стрелки передвигается по шкале.

По изменению показаний барометра можно предполагать, как изменится погода в ближайшие дни. Если атмосферное давление повышается, значит, можно ожидать ясной погоды. А если понижается, будет пасмурно.

Здравствуйте! Сегодня мы поговорим о такой физической величине и описываем ею явлении как давление. Я расскажу о том, откуда оно возникает, и какие внешние проявления давления вы можете наблюдать в жизни и в быту.

Давление как физическая величина

Физическая величина давление равна силе приходящейся на единицу площади. Вообще отношение силы, давления и площади можно выразить в виде вот такого мнемонического треугольника как на рисунке ниже.

сила-давление-площадь

Как мы видим из него

p=F/S,

S=F/p,

F=p*S.

Давление в физике измеряется в Паскалях (Па) и имеет размерность Н/кв. м. Как видно и из формулы и из определения самого давления, данная величина характеризует меру воздействия сил, приходящуюся на единицу площади.

И как видно из формулы, чтобы увеличить величину давления, нужно либо увеличить прилагаемую силу, либо уменьшить площадь, на которую приложена сила. Запомните пока это обстоятельство, т.к. оно нам пригодится для объяснения различных природных и бытовых явлений связанных с давлением.

Давление как явление природы

У меня для вас сразу вопрос на засыпку: может ли человек произвести с помощью только своих рук давление больше 1000 атмосфер? Как на странно, но ответ на этот вопрос: да может! А теперь докажем это утверждение расчетами.

Итак, одна атмосфера равна давлению в 100000 Па. Сила давления пальца человека на острое шило где-то 30 Н (можно и больше). Площадь острия шила составляет около 0,03 квадратных миллиметра. Т.е. это 0,00000003 кв. м. Разделим 30 Н на 0,00000003 кв. м. и получим 1000000000 Па. Или 10000 атм. Чудовищное давление, не правда ли?

Для сравнения я приведу некоторые данные:

Давление в автомобильных шинах – 2 атм.

Давление в камере бензинового двигателя – 10 атм.

Давление в камере дизеля – 20 атм.

Давление в паровом котле – 40 атм.

Правда тут есть одно НО. В приведенных примерах давление внутри этих устройств распределено по ВСЕ рабочей площади этих устройств, а вот в приведенном нами примере все это чудовищное давление сосредоточено на кончике шила (0,03 кв. мм).

Данные вычисления объясняют, почему острыми иголками и ножами можно проткнуть или разрезать довольно прочные предметы. Тогда как с тупыми иголками и ножами это сделать проблематично.

Но это мы все говорили о высоких давлениях. А вот иногда нужно наоборот давление уменьшить. Вы наверно сами уже догадались, как это сделать. Конечно же, увеличить площадь соприкосновения сил. Как пример такого увеличения площади, для уменьшения давления можно привести лыжи, болотные «мокроступы», гусеницы трактора и даже обыкновенный мягкий матрас.

Вы скажете, а причем тут матрас? А вы пробовали когда-нибудь спать на ровном и жестком полу? Так вот обычный матрас увеличивает площадь соприкосновения тела с поверхностью и поэтому лежать на нем мягко. А вот на ровном полу мы касаемся его лишь небольшими участками тела, и как следствие давление на эти части приходится значительно большее. Вот именно поэтому на ровной поверхности можно себе чего-нибудь «отлежать».